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红得发紫的科学 精选

已有 20653 次阅读 2012-12-10 08:06 |个人分类:科学普及|系统分类:科普集锦| 视觉, 颜色, 光线, 视锥细胞, 三色动物

寻正


在中国的传统文化中,以黄色最为贵,大概物以金贵,随之金黄色成种各种颜色身价之最,可能皇黄同音,让天家起独享垄断之心,黄色成了禁色,对于普通人家,是要敬而远之,不然有杀家灭族风险的。余下诸色中,就以紫红为贵。


要祝贺别人富贵发达,就愿他们大红大紫。这种说法起源于中国唐朝时期以色区分官服品级,五品见红,三品发紫,形容某人官场得意,就说他红得发紫,因为五品是浅红,进一品变深红,再进一品就发紫了。


紫色在诸色中享有尊崇地位是一个普适于中西各方的现象,在古罗马帝国,紫色就是贵族的标记。这种以紫为尊的文化是有经济基础的,那就是古代紫色的成本高于其它染色,紫色需要由红色与蓝色混合而成。


你能读到本文,你必定用电脑,电脑显示屏就是用红色与蓝色混合而达到紫色的效果。紫色的RGB(即红绿蓝)强度分别为143,0,255,这里的255是最大值,0是原色的最小值。


一个好的画家对色彩会有异乎寻常的分辨能力,普通人则可能难区分那些细微差异。比如肯定不好人对更紫一点的色彩未必区分得出来。这种更紫的颜色是如何调出来的呢?在紫色中把红色增加到159,这称为极紫色。这是一种细微变化,因为如果再把红色增加并不更紫,而上与红色接近了,比如把红色加到200,就变成了紫红色有人认为这样的紫红色才算纯粹,它是通过减低蓝色,增加点绿色实现的,RGB值为125,38,205。不过,这样的颜色在我看来总是跟紫色差不多。


我们知道牛顿用三棱镜把阳光分解成了一个连续的色谱:红橙黄绿青蓝紫(见图一)。


图一、自然光分解色谱


我们知道人的三原色分别为红绿蓝,分别代表着三种不同的视觉感受细胞【注1】,即视锥细胞的最敏感色彩。而色彩则代表着这三种视觉感受器的综合刺激,比如它们受到同样程度的刺激,我们就产生白色(如果强度低则为灰色),而不同程度的刺激就产生其它色彩。一般示意图如下:


图二、人的三种视锥细胞光敏感度分布曲线
字母指波长:L=红色(长);M=绿色(中);S=蓝色(短)
(源:英文维基)


这个示意图的一大挑战就是如果紫光比蓝光波长还要短,它激动S有效度要显著高于其它两种感受器,那么它应当呈蓝色,而不是介乎蓝色与红色之间的某种颜色。因此,有人提出了三原色应当是红绿紫,蓝色反而是紫色与红色的混合。


图三、色彩视觉原理的红绿紫模型
(见http://www.sjsu.edu/faculty/watkins/violet.htm


其实这一模型如果把视觉曲线复印到色谱上则更为一目了然:


图四、色谱、波长、与三种视感受器的光敏感度
(源:英文维基)


其实不只是蓝色被误标注了,三种视感受器都并不完全地跟红绿蓝相合,这是为什么这些曲线分别被命名为LMS(长中短)的道理,但由于红绿蓝三色混合原理文为人知,这些曲线可能被加注上红绿蓝三种颜色。


这样的解释可以理解所有混色的形成与对等性,但并不能解释为什么用蓝色与红色可以混合出紫色来。紫色比蓝色处于更极端的位置,按这个数学模型,紫色应当激动的是S感受器,而同时不激动L与M感受器,而蓝色反而是激动了S感受器,同时低强度地激动了M与L感受器。


我们常用的RGB色彩系统起源于国际照明委员会在1931年提出来的模型。这个模型给了L(即红色)感受器在紫外线区间一个冒泡的机会。


图五、国际照明委员会标准色彩配比曲线


根据这个模型,紫色段的光刺激S感受器,同时微量刺激M与L感受器,但L感受器显著超过M感受器。如果我们把红色混入强烈的蓝色,就能达到紫色段光所产生的效果,所以产生紫色。


数学模型并不能取代现实。如果你仔细观察,你会发现无论是图一,还是图四,你都能把图形剪下来,然后首尾粘合在一起,组成一个循环,那么红得发紫就是一个不可避免的趋势,国际照明委员会冒的那个泡就完全没有必要了。


红得发紫,还真是一个有趣的历史巧合。


【注】

1. 绝大部分人都是三色动物,但部分女性可能有四色能力,使得她们有超常的色彩分辨能力。其主要原因在于编码L与M视蛋白的基因位于X染色体上,人的这些视蛋白,尤其是M,可能有较大差异,人群中估计2-3%的女性有超色觉能力,同时男性则更易于发生色觉障碍,因为他们只有一个X染色体。



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